肠道微生态与炎症性肠病
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文献来源：中华炎性肠病杂志，2020年1月第4卷第1期
作者：兰平 吴锦杰 何真
作者单位：中山大学附属第六医院结直肠肛门外科
通信作者：兰平
【摘要】
炎症性肠病（IBD）是由遗传因素、肠道菌群和宿主免疫系统等多因素参与的慢性肠道炎性疾病，确切的病因和发病机制尚不清楚。肠道微生物的组成和功能改变可导致IBD的发生发展。在基因易感性患者中，失调的肠道菌群及其代谢产物通过与宿主的相互作用可引起肠道微免疫环境失调，破坏肠道的免疫耐受，最终诱发肠道炎症。本文总结和探讨肠道菌群在IBD中的作用机制，为IBD的预防及诊治提供理论依据。
炎症性肠病（inflammatory bowel disease，IBD）是一种慢性复发性肠道炎症性疾病，包括溃疡性结肠炎（ulcerative colitis，UC）、克罗恩病（Crohn’s disease，CD）及未定型结肠炎（indeterminate colitis，IC）3类。IBD具有“三高二低”的特征：患病率、误诊率和致残率高，治愈率和发病年龄低，大多数患者需接受长期的药物治疗甚至反复多次的手术治疗。环境因素、遗传易感性、肠道黏膜的异常免疫反应和肠道菌群等多种因素参与IBD的发生发展。近年来，越来越多证据表明肠道菌群紊乱与IBD的发生密切相关。肠道菌群因其数量巨大，基因组组成复杂，被称为“人体第二基因组”，参与并影响着人体的各项生理活动，尤其是代谢和免疫。
一、IBD患者存在肠道菌群失调 (dysbiosis)
IBD的肠道菌群失调表现为共生菌与病原菌比例失调、肠道菌群多样性下降等。促炎病原菌如粘附侵袭性大肠杆菌（adherent-invasive E. coli，AIEC）、具核梭杆菌（Fusobacterium nucleatum）在IBD患者中丰度上升，而保护性共生菌如双歧杆菌（Bifidobacterium）、乳酸菌（Lactobacillus）、柔嫩梭菌（Faecalibacterium prausnitzii）等丰度下降。目前多数研究认为IBD患者中厚壁菌门的丰度下降，变形菌门的丰度上升。然而，肠道菌群在IBD发生发展中的作用机制尚未明确。
二、IBD相关基因多态性与肠道菌群的关系
遗传易感性是IBD发病的重要因素。一项针对75000例患者的研究发现，有163个易感基因位点与IBD相关，其中大多基因位点参与了宿主与肠道微生物相互作用的调控。
核苷酸结合寡聚化结构域蛋白2（nucleotide-binding oligomerization domain containing 2，Nod2）是第一个被发现的CD易感基因。Nod2主要位于回肠末端的潘氏细胞中，在肠道菌群的刺激下可诱发免疫反应。Nod2基因突变的IBD患者肠黏膜黏附的细菌数量增加。与无Nod2基因突变的患者相比，突变的患者肠道菌群有特征性改变：肠杆菌属的种类增多，而粪杆菌属的种类减少。此外，在Nod2-/-小鼠肠道中可发现异常的杯状细胞、淋巴细胞的聚集以及炎症因子的表达。肠黏膜屏障缺陷与肠道菌群失调有关，特别是与普通拟杆菌（Bacteroides vulgatus）的增加密切相关，而下调普通拟杆菌的丰度可逆转Nod2-/-小鼠肠黏膜屏障缺陷。
自噬通路相关的基因突变可增加CD的患病风险。自噬相关基因16L1（autophagy related 16-like 1，ATG16L1）联合Nod2突变的IBD患者，肠道菌群发生显著性改变，包括粪杆菌属的丰度下降和大肠杆菌的丰度升高。选择性敲除小鼠体内ATG16L1基因可下调Treg细胞数量及Th2介导的细胞免疫，异常的免疫效应使得肠道丧失了对肠道病原菌的耐受能力，产生免疫球蛋白攻击肠道共生菌，引起肠道菌群失调。最新研究将活动期CD患者的粪便移植到ATG16L1基因缺失的无菌小鼠，可诱导卵形拟杆菌的增加以及肠道固有层中Th17和Th1免疫细胞的增加，这表明基因多态性对IBD的影响需要依赖于肠道菌群的作用。
糖蛋白CLEC7A是一种表达于固有免疫细胞上的模式识别受体，可介导真菌和肠道免疫系统的相互作用。CLEC7A基因缺失的小鼠肠道真菌群落发生改变，且肠炎的易感性增加。敲除CLEC7A下游分子CARD9也可引起小鼠肠道真菌微生态改变，增加小鼠对DSS诱发肠炎的易感性。CARD9缺失所引起的真菌菌群失调与肠道Th17免疫细胞的缺失关系密切。Jose等还发现，马拉色氏霉菌属（Malassezia）的定植可增加CD的疾病严重程度，而这种真菌定植所诱发的炎症反应与CARD9的基因多态性有关。
肠道菌群失调在IBD疾病的发展过程中扮演着重要角色，但仅仅只有肠道菌群的改变并不能导致肠炎的发生，基因多态性的研究揭示了个体差异在疾病发展中的重要作用。个体基因的多态性可影响肠道菌群的结构，而失调的肠道菌群又可以在基因易感性的背景下进一步激活免疫系统，诱发肠道炎症反应（图1A）。
三、IBD中肠道菌群失调诱发免疫紊乱的机制
虽然肠道菌群失调与基因多态性在IBD的发病机制中有着重要的地位，但这两者对IBD的影响又依赖于肠道免疫微环境。生理状态下，肠道中的微生物与宿主存在共生或者互利的关系，这种关系的维持依赖于多种免疫机制，如肠道黏液分泌、IgA及抗菌肽的释放等。此外，肠道共生菌也可抑制病原微生物的生长、促进免疫耐受、启动肠上皮修复以及维持各种免疫细胞亚型的平衡。但在IBD患者中，失调的肠道微生态与机体易感基因共同作用，可诱发异常的免疫反应，导致肠道免疫微环境紊乱。
体液免疫中，针对不同肠道微生物分泌的抗体与IBD的表型及病程都有着密切的关系。研究发现，血液中酿酒酵母的甘露聚糖表位抗体（gASCA）、昆布二糖抗体（ALCA）以及抗中性粒细胞胞浆抗体（pANCA）的组合，可用来区分IBD肠炎、非IBD肠炎及正常人群。这3种抗体在CD和UC患者中也存在着显著差异。此外，IgA作为肠黏膜中最主要的抗体，对微生物的包裹作用是肠道微生物激活免疫反应的标志。这些IgA包裹的肠道菌可分为致肠炎型的IgA+和肠道共生型IgA-，其中IgA+的细菌包括普雷沃氏菌科（Prevotellaceae）、螺杆菌和分节丝状菌（segmented filamentous bacteria，SFB），这些细菌可参与DSS诱发的小鼠肠炎。而IgA的缺陷也会增加CD和UC的患病风险。
细胞免疫中，肠道微生物在T细胞功能维持中起到重要作用。肠道微生物可通过塑造肠道微环境诱导T细胞分化成Th17、Treg及其他表型，定植于小鼠小肠的分节丝状菌可通过黏附于小肠上皮细胞，诱导肠道固有层中Th17细胞分泌IL-17和IL-22促进肠道炎症的发生。相反，一些肠道菌却可促进具有抑炎功能的Treg细胞的增加，梭状芽孢菌在小鼠肠道的定植可使肠道TGF-β含量增加，从而促进Foxp3+Treg细胞的分化。最新研究还发现，IBD患者来源的肠道菌可诱导小鼠肠道中Th17、 Th2细胞增加以及RORγt+Treg细胞减少（图1B）。将正常人来源的粪便移植于小鼠后可分离培养到11株具有诱导IFNγ+CD8+T细胞的菌株组合，这些菌株组合具有缓解肠道炎症的功能（图1C）。
在肠道免疫微环境中，抗原呈递细胞不仅能传递肠道菌相关抗原，还可调控肠道免疫效应细胞。当肠道共生菌黏附在上皮细胞时，CX3CR1+的抗原呈递细胞在肠道菌抗原作用下分泌IL-10诱导Treg细胞分化，维持肠道促炎和抑炎的平衡。但在肠道菌群失调时，CX3CR1+的抗原呈递细胞则可诱导Th1免疫细胞介导肠道炎症反应。研究还发现，与CD密切相关的活泼瘤胃球菌（Ruminococcu sgnavus）可通过分泌多聚糖作用于树突状细胞（dendric cell, DC）上的TLR4受体，诱导TNF-α炎性因子的分泌。巨噬细胞也是肠黏膜屏障中重要的抗原呈递细胞，肠道菌可通过NOD2-Myd88信号通路诱导巨噬细胞分泌IL-1β介导小肠炎症反应。但肠道肝螺杆菌（Helicobacter hepaticus）却可通过巨噬细胞的TLR2受体激活MSK/CREB分子，促进IL-10的分泌，参与肠道的抑炎反应（图1B、C）。
四、肠道菌群代谢物对IBD的影响
尽管肠道微生态与机体的相互作用可调节肠道免疫微环境，但其中的机制尚不明确。随着肠道菌群的变化，IBD患者中肠道代谢物也随之发生改变。与正常人相比，IBD患者的肠黏膜、粪便及血清的代谢物都存在着显著差异。
短链脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFA）是肠道菌分解膳食纤维的产物，包括丁酸盐、丙酸盐和醋酸盐。其中，由梭状芽胞杆菌产生的丁酸盐可通过激活G蛋白偶联受体及表观遗传效应抑制组蛋白去乙酰酶，从而增强黏膜Treg细胞功能，减轻小鼠的肠炎。丁酸盐的增加还可通过抑制脱乙酰化酶（HDAC）促进Treg免疫细胞的扩增，抑制Th17介导的免疫反应，同时促进巨噬细胞中IL-6的分泌，对肠道具有保护作用。作为过氧化物媒体增殖体激活受体（PPAR）-γ的激动剂，丁酸盐还可抑制肠道NO的合成和硝酸盐的降解，从而限制肠杆菌科的增殖。但在IBD患者的粪便中可产生SCFA的细菌丰度显著性下降，导致肠道SCFA水平下降，促进肠道炎症（图2A）。
色氨酸（tryptophan）可被肠道菌转化为具有生物活性的吲哚类代谢产物。研究发现，普通小鼠和无菌小鼠血清中的色氨酸代谢产物水平存在着显著差异，而色氨酸代谢产物吲哚衍生物也可介导宿主炎症反应。肠道共生的消化链球菌（Peptostreptococcus）可产生特殊吲哚衍生物吲哚丙酸，诱导黏蛋白基因表达以及激活NRF2通路，发挥抑制肠道炎症反应的作用。拟杆菌属可将色氨酸代谢为血清素的前体色胺，而血清素可通过与不同的5-HT受体结合展现多种效应，调节肠道炎症反应。但在IBD患者中，肠道菌对色氨酸的代谢下降，引起肠道微环境紊乱，促进肠炎发生（图2B）。
肠道菌群代谢产生的胆汁酸（bile acid）可作为G蛋白偶联受体和法尼酯衍生物x受体（FxR）的激动剂，调控宿主基因，从而调节免疫细胞的成熟、细胞因子的释放以及对微生物的防御功能。牛磺酸是一种由初级胆汁酸分解而来的次级胆汁酸，可通过调节炎性小体功能，增加微生物多样性。梭状芽胞杆菌也可通过去羟基化调控胆汁酸代谢，抑制肠道艰难梭菌的感染。此外，结合型胆汁酸还可诱导CD4+效应T细胞的Mdr1外源性转运体表达上调，从而维持机体内环境平衡，但在IBD患者中，Mdr1的表达与对照组相比却下降（图2C）。
鞘磷脂是一类由宿主和特定细菌产生的浆膜相关脂质。IBD患者中炎症组织与非炎症组织中鞘磷脂在细胞水平和分布上都存在着显著差异。多形拟杆菌在无菌小鼠体内的定植可维持肠道内环境平衡，但无合成鞘磷脂功能的突变株定植于肠道可引起IL-6和MCP-1的升高，诱发肠炎。代谢组学研究也发现，IBD患者中拟杆菌来源的鞘磷脂丰度较低，随着机体鞘磷脂丰度降低，炎症反应呈上升趋势（图2D）。
五、结论和展望
IBD的发病涉及宿主、微生物和环境等多个因素。宿主的遗传因素为IBD发生提供了基础，肠道菌群失调促进肠炎的发生，其中肠道菌群与机体的相互作用、肠道代谢产物的改变，都影响着宿主的免疫环境。IBD错综复杂的发病机制尚未明确：宿主的遗传易感性如何改变肠道微生物组的结构？肠道菌群失调如何影响机体免疫环境？饮食因素和微生物代谢产物影响IBD的分子机制？阐明这些问题，对维持疾病长期缓解、制定个体化的治疗方案非常重要。基于微生物疗法，通过粪菌移植、益生菌、靶向清除致病菌或调节肠道微生物代谢产物，恢复肠道菌群结构、促进肠黏膜屏障重建、诱导免疫耐受，有望能预防IBD发生及进一步提高疗效。
（参考文献略）
作者：中华炎性肠病杂志
来源：中华炎性肠病杂志
